CN1373937A - 减少联合检测中的计算 - Google Patents

Abstract

接收器接收多个发射数据信号。该接收器测量与发射数据信号相关的信道响应。决定系统响应。系统响应被扩展为分段正交。部分基于该被扩展的系统响应而恢复接收数据信号。

Description

减少联合检测中的计算

                              背景

本发明大致上涉及无线通讯系统。尤其是，本发明涉及无线通讯系统中的多重用户信号的联合检测。

图1是无线通讯系统10的说明。该通讯系统10具有与用户设备(UEs)14₁至14₃通讯的基地台12₁-12₅。每一基地台在运作区域中具有与UEs 14₁至14₃通讯之相关运作区域。

于某些通讯系统中，例如码分多址(code division multiple access，CDMA)，以及使用码分多址的分时复用(time division duplex)(TDD/CDMA)，多重通信在相同的频谱上传送。这些通讯系统一般是藉由其码片码序列(chip code sequence)而被区分为更有效率地使用频谱，TDD/CDMA通讯系统使用被分分为数个通讯用时隙的重复的框。于此种系统中传送之通讯基于通讯之频宽将具有一个或多个码片码以及被指定于该码片码的时隙。

因为多重通讯可在相同的时间在频谱中传送，于此系统中之一接收器必须在多重通讯中被区别。一种检测此种信号的方法系单一用户检测。在单一用户检测中，接收器只使用与所需发射器相关的码检测来自所需发射器的通讯，并将其它发射器的信号视为干扰来处理。

在一些情况中，能够同时检测多重通讯以便改良性能是我们所希望的。同时检测多重通讯被称为联合检测。某些联合检测器使用科列斯基分解法(Cholesky decomposition)以执行最小均方误差(minimum mean square error，MMSE)检测，以及迫零块均衡器(zero-forcing equalizer，ZF-BLEs)。这些检测器具有需要广大的接收器资源的高复杂度。

因此，我们希望具有另一种联合检测的方法。

                            发明概要

多个发射数据信号在一接收器被接收。此接收器测量与该发射数据信号相关的信道响应。决定系统响应。该系统响应被扩展为分段正交(piecewiseorthogonal)。接收数据信号一部分地基于被扩展的系统响应而被恢复。

                          附图简要说明

图1是一无线通讯系统。

图2是使用联合检测的简化发射器及接收器。

图3是一通讯短脉冲串(burst)的说明。

图4是降低计算联合检测的说明。

                   较佳实施例详说明

图2表示在TDD/CDMA系统中使用联合检测之简化的发射器26及接收器28。在一典型的系统中，发射器26位于每一UE 14₁至14₃，而传送多重通讯的多重发射电路26位于每一基地台12₁至12₅之中。基地台12₁一般需要至少一个发射电路26以让每一现用通讯UE 12₄至14₃使用。该联合检测接收器28可以在一基地台12₁，UE 14₁至14₃，或二者。联合检测接收器28从多重发射器26或发射电路26接收通讯。

每一通讯在无线通讯信道30上传送数据。在发射器26中的数据产生器32产生将在相关信道上被通讯至接收器28的数据。相关数据基于通讯频率需求被指定给一个或多个代码及/或时隙。扩展和训练序列插入装置34扩展相关信道数据，并使被扩展的相关数据与一以受训练序列在被指定的适合的时隙及码内为时序多重。所产生的序列称为一通讯短脉冲串(burst)。此通讯短脉冲串被一调制器36调制为射频。天线38经由无线射频信道30被发射至接收器28的天线40。此种被用以发射通讯的型态可以是本领域技术人员所知的任一种，例如直接相移键控(direct phase shift keying；DPSK)或正交相移键控(quadraturephase shift keying；QPSK)。

典型的通讯短脉冲串16具有一中间走动(midamble)20，一防护期间(guardperiod)18以及二数据短脉冲串22，24，图3所示。该中间走动20分离该二数据短脉冲串22，24，而该防护期间18分隔该数据短脉冲串以允许来自不同发射器的短脉冲串的到达时间的差别。此二数据短脉冲串22，24包含通讯短脉冲串的数据且一般具有相同的码元(symbol)长度。

接收器28的天线40接收不同的射频信号。被接收的信号被解调器42解调变以产生一基带信号。该基带信号被处理，例如通过一信道估测装置44及一联合检测装置46，在时隙中被处理，并具有被指定给相对发射器26的通讯短脉冲串的适合代码。该信道估计装置44使用在基频中的训练序列成份以提供信道信息，例如信道脉波响应。此信道信息由联合检测装置46所使用以估计被接收的通讯短脉冲串的发射数据做为软码元(soft symbol)。

此联合短脉冲串装置46使用由信道估计装置44所提供的信道信息以及被发射器26所使用的已知扩展码而估计不同的接收短脉冲串的数据。虽然联合检测系结合TDD/CDMA系统而被描述，相同的方法可应用于其它通讯系统，如CDMA。

一种在TDD/CDMA系统中特定时隙中的联合检测的方法被表示于图4。多个通讯短脉冲串相互交叠于一特定时隙中，如K个通讯短脉冲串。K个通讯短脉冲串可能来自K个不同的发射器。如果特定的发射器在特定的时隙内正使用多重码，则K短脉冲串可能来自小于K个发射器。

通讯短脉冲串16的每一数据短脉冲串22，24具有一预定数目的发射码元，如N_s。每一码元使用一预定数量的扩展码的码片而被发射，其为扩展因子(spreading factor)。在一典型的TDD通讯系统中，每一基地台121至125具有与其通讯数据混合相关的扰乱码。该扰乱码区分出每一基地台。一般干扰乱码并不影响该扩展因子。虽然此处使用扩展码及因子等名词，对于使用扰乱码的系统而言，以下的扩展码结合了扰乱码及扩展码。每一数据短脉冲串22，24具有N_s×SF个码片。

联合检测装置46估计每一数据短脉冲串被原始发射的值。方程式1被用以决定未知的发射码元。

                       r＝Ad+ n  方程式1

在方程式1中，已知被接收组合码片 r是系统响应A以及未知发射码元 d之积。符号 n表示在无线射频信道中的噪声。

对K个数据短脉冲串而言，将被还原的数据短脉冲串的数目为Ns×K。为分析之目的，未知的数据短脉冲串码元被安排至一列矩阵(column array)，d。d矩阵具有未知数据码元的列块 di至 d _Ns。每一数据码元区块 di在每一K数据短脉冲串内具有i^th个未知发射数据码元。因此，每一列块 d具有K未知发射数据码元互相堆叠于上方。该数据区块也于一列中相互堆叠于上方，如 d ₁在 d ₂之上，依此类推。

联合检测装置46接收每一码片于被接收时的值。每一被接收码片是所有K通讯短脉冲串的复合。为分析之目的，合成的码片被安排至一列矩阵 r。该矩阵 r具有每一复合码片的值，共Ns*SF码片。

A是系统响应矩阵。系统响应矩阵A是通过脉波响应与每一通讯短脉冲串码片码的卷积(convolve)而被形成。此卷积结果被重新安排以形成系统响应矩阵A(步骤48)。

联合检测装置46接收来自信道估计装置44的K通讯短脉冲串的每一i^th信道脉波响应 hi。每一 hi具有一长度为W的码片。联合检测装置以已知K通讯短脉冲串的扩展码卷积该信道脉波响应以决定K通讯短脉冲串的码元响应s ₁至 s _k。对所又码元而言是相同的共同支持子区块S的长度为K×(SF+W-1)。

A矩阵被设计成举有Ns区块B₁-B_Ns。每一区块具有全部被安排为与对应的 d矩阵 d ₁至 d _Ns中的数据区块相乘的码元响应 s ₁至 s _k。例如， d ₁与 B ₁相乘。此码元响应 s ₁至 s _k，形成在每一区块矩阵Bi中一行，区块之其它部分被填入0。在第一区块B₁，此码元响应列在第一行开始。在第二区块，此码元响应列为在区块中较低的SF列，依此类推。因此，每个区块具有K宽度以及Ns×SF的高度。方程式2说明一个显示分割之A区块矩阵。

n矩阵具有对应每一被接收合成码片的噪声值，总共Ns×SF码片。为分析之目的，n矩阵在被接收合成码片矩阵 r中是固有的。

使用区块记数法(notation)，方程式1可以被重写为方程式3。

使用 r矩阵的噪声版本，每一未知码元可以通过解答此方程式而被决定。然而，使用强力计算法(brute force approach)来解答方程式1需要大量的处理。

为降低处理，系统响应矩阵A被重新分割。每一区块Bi被分割为宽度K以及高度SF的Ns区块。

这些新区块被称为A1至AL以及0。L为共同支持S，当被新区块A1至AL之高度分割时，经由方程式4。

方块A₁至A_L由支持 s ₁至 s _k以及共同支持S所决定。A0区块是具有全部0的区块。W为57，SF为16且L为5系统的重新分割矩阵被表示于方程式5。

为降低矩阵的复查度，一分段正交化(piecewise orthogonalization)被使用。任何i为L或更大之区块Bi相对任何之前的L区块为非正交，而相对任何被大于L所领先的区块为正交。在重新分割A矩阵中的每个0是一全部0区块。使用分段正交化的结果，A矩阵被扩展(步骤50)。

A矩阵是由填充L-10区块至A矩阵的每一区块并移动在A矩阵中其列号小于1的每一列而被扩展。为表示图2的列2中的A1区块，4个(L-1)0被插入列2的A1与A2之中。此外，区块A1(以及A2)被右移一行(列2-1)。因此，方程式5在扩展之后变成方程式6。

为符合被扩展的A矩阵，d矩阵也必须被扩展 d _exp。每一区块d₁至d_Ns被扩展为新的区块d_exp1至 d _expNs。每一被扩展区块 d _exp1至 d _expNs是由重复原始区块L次而获得。以 d _exp1为例，第一区块列将被产生为具有d₁的L版本，相互重叠于下方。

因此，方程式1可被重写为方程式7。

方程式7可被重写以将每一B_expi正交分割为L部分， ，j＝1至L，如方程式8。

为降低计算的复杂度，Aexp矩阵的QR分解被执行(步骤52)。方程式9表示A_exp的QR分解。

        A_exp＝Q_expR_exp       方程式9

由于A_exp的正交分割，A_exp的QR分解较不复杂。所产生的Q_exp及R_exp矩阵于L区块上具暂态延伸的周期性。因此，Q_exp及R_exp可由计算启始暂态及周期性部分的周期而被决定。此外，矩阵的周期性部分是由正交化之A1至AL而被有效率地决定。有一种QR分解的方法是Gramm-Schmidt正交法。

为如同方程式6中的正交A_exp，B_exp1是通过正交每一其正交部分

，j＝1...L而被独立正交化。每一{Aj}，j＝1...L系被独立正交，而此集合被适合的填充0。{Qi}是由正交化的{U_j(i)}所获得的标准正交集合。为决定Bexp2，其

需要仅相对于之前形成的B_exp的Q2而被正交化。

及 只需要分别相对于Q₃，Q₄及Q₅而被正交化。 需有对所有先前的Qs正交化，且其正交化结果仅为从正交B_exp1所获得的位移版本Q₅。

随正交化继续进行，在初始暂态之外，产生一周期性，其可被摘要说明如下。其Q₄是由正交化A₅所获得，然后被填充以0。其Q₄是从正交化Q₅的支持(support)以及A4，{sup(Q₅)A₄}，然后被填充以0。因为sup(Q₅)已经是一个正交集合，只有A4需要相对于sup(Q₅)及其本身而被正交化。其Q₃是从正交化[sup(Q₅)sup(Q₄)A₃]所获得，然后被填充以0。其Q₂是从正交化[sup(Q₅)sup(Q₄)sup(Q₃)A₂]所获得，然后被填充以0。其Q₁是从正交化[sup(Q₅)sup(Q₄)sup(Q₃)sup(Q₂)A₁]所获得，然后被填充以0。除了初始暂态之外，整个A_exp可以被有效率的正交化，经方程式10，仅由正交化A_p。

    Ap＝[A5 A4 A3 A2 A1]              方程式10

通过有效的以仅使用Ap正交化A_exp的周期性部分，计算的效率可被达成。使用较复杂的计数法，对sup(Qi)之Qis，Ap结果的正交产生于方程式11的标准正交矩阵Qp之中。

Q_exp的周期性部分经由方程式12。

为建构矩阵R_exp上部三角矩阵，<A_i>_j是尺寸为K×K的区块，代表Ai每一行在所有Q_j ^s的投射。例如，<A₄>₅的第一行表示A4的第一行在Q₅s的K行的每一行上的投射。同样地，<A₄>₄表示A4的第一行在Q₄ ^s的K行的每一行上的投射。然而，此区块将是上部三角，因为A4的K^th行属于由Q5s的标准正交向量及Q₄s的第一k向量所生成的空间。此区块与Q₄s中的随后的向量正交，导致一上部三角<A₄>₄。任何i＝j的<A_i>_j将是上部三角。为正交化其它区块，产生以下结果。

B_exp5的第一区块viz. 是由{Qjs}，j＝1..5的线性组合所形成，其系数为<A₁>_j，j＝1...5所给予。第二区块 是由{Qjs}，j＝2..5的线性组合所形成，其系数为<A1>j，j＝2...5所给予。第三区块 是由{Ojs}，j＝3..5的线性组合所形成，其系数为<A₁>j，j＝3...5所给予。第四区块U1⁽⁴⁾是由{Qjs}，j＝4，5的线性组合所形成，其系数为<A₁>j，j＝4，5所给予。第五区块 是由Q₅s X<A₅>₅所形成。

因此，在接下来的B_expi，i＞6的扩展中的系数仅是上述周期性的延伸。因为R_exp项目在A_exp的正交期间被计算，不需要建构R_exp的额外计算。不管初始暂态，R_exp的余项是周期性的，且其二周期表示于方程式13。

解答Q_exp及R_exp的最小平方法(least square approach)表示于方程式14。

Q_exp·R_exp·d_exp-＝r                     方程式14

通过以Q_exp的转置矩阵Q_exp ^T预先乘以方程式14的二侧，并使用Qexp·Qexp^T＝I_LKANs，方程式14变成方程式15。

R_exp·D_exp＝Q_exp ^Tr            方程式15

方程式15代表一三角系统，其解也解答方程式14的LS问题。

由于扩展，未知的数字以一L因子增加。因为该未知数是由一L因子所表示，为降低复杂度，此重复的未知数可被收集以折叠系统。Rexp使用L系数区块CF₁至CF_L而被折叠，每一区块的宽度及高度为K。对于具有L为5的系统，CF₁至CF₅可被决定如方程式16。

使用系数区块折叠Rexp产生类柯列斯基系数(Cholesky-like)G(步骤54)。通过在方程式15右侧执行类比运算产生高与宽为K×Ns的带状上三角，如方程式17。

至

系暂态项目及γ。经由向后取代(back substitution)通过解答上三角，方程式17可被解答以决定 d(步骤56)。因此，发射的K数据短脉冲串的数据码元可被决定。

使用片段正交法及QR分解，解答最少平方问题的复杂度与习知以协调科列斯基分解相比下降了6.5因子。

Claims (22)

1.一种在通讯系统中用于在接收器上的从发射的多个数据信号恢复数据的方法，其特征在于该方法包括：

在该接收器接收多个所述被发射数据信号并测量与所述被发射数据信号相关的信道响应；

部分基于该信道响应决定一系统响应；

扩展该系统响应为分段正交；以及

部分基于该被扩展的系统响应，恢复来自该被接收数据信号的数据。

2.如权利要求1所述的方法，其中，每一所述被发射数据信号具有一相关码片码，而该系统响应是通过使该相关码片码与信道响应的卷积而被决定。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该系统响应是一系统响应矩阵，还包括在扩展之前将该系统响应矩阵分割为多个列块。

4.如权利要求3所述的方法，其中，该扩展是通过在所述列块中填塞0以使每一区块为正交。

5如权利要求3所述的方法，其中，SF是与数据信号相关的扩展因子，而W是与信道响应相关的码片长度，而区块包括L行，其中L为 $[L=\frac{\mathrm{SF}+W-1}{\mathrm{SF}}].|.$

6.如权利要求1所述的方法，还包括分解所述扩展系统响应的QR。

7.如权利要求6所述的方法，其中，QR分解是通过Gramm-Schmitt正交法。

8.如权利要求3所述的方法，还包括在扩展前用子区块取代一列块的组元。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述子区块具有与所述列块相同的宽度，并具有与码元响应的长度相关的高度以及码元响应的支持。

10.如权利要求8所述的方法，还包括分解所述系统响应矩阵的QR，且正交化Q矩阵的周期性部分是通过正交化所述子区块。

11.如权利要求10所述的方法，还包括部分基于与所述Q矩阵相关的所述正交化子区块，对R矩阵的周期性部分正交化。

12.如权利要求6所述的方法，其中，所述QR分解产生一Q矩阵及一R矩阵，每一矩阵具有一初始暂态及一周期性部分。

13.如权利要求12所述的方法，还包括通过以系数区块取代R矩阵中的组元以褶叠所述R矩阵。

14.如权利要求13所述的方法，其中，具有系数区块的R矩阵是类科列斯基因子(Cholesky-like factor)。

15.一种在接收器中用于接收多个数据信号的联合检测装置，其特征在于该联合检测装置包括：

部分基于测得的信道响应而决定系统响应的装置；

将所述系统响应扩展为分段正交的装置；以及

部分基于所述被扩展的系统响应从所述接收数据信号恢复数据的装置。

16.一种在通讯系统中用于接收多个发射数据信号的接收器，其特征在于该接收器包括：

接收所述发射数据的天线；

确定每一接收信号的信道响应的信道估计装置；

具有一输入的联合检测装置，被配置成接收所述信道响应和所述接收数据信号，用于部分基于所述信道信号决定一系统响应，将所述系统响应扩展为分段正交，以及部分基于该扩展系统响应从所述接收数据信号恢复数据。

17.如权利要求16所述的接收器，用于使用码分多址通讯系统的分时双工。

18如权利要求17所述的接收器，其中每一所述发射数据信号具有一相关代码并在分享频谱上被发射，而系统响应是通过使所述相关代码与所述信道响应卷积而被决定。

19.如权利要求17所述的接收器，其中所述信道估计装置使用与所述数据信号相关的接收训练序列来测量所述信道响应。

20.如权利要求16所述的接收器，其中所述系统响应是一系统响应矩阵，还包括在扩展之前将所述系统响应矩阵分割为多个列块。

21如权利要求20所述的接收器，其中所述扩展是通过在所述列块中填塞0以使每一列块为正交。

22.如权利要求20所述的接收器，其中SF是与所述数据信号相关的扩展因子，而W是与所述信道响应相关的码片长度，而所述区块包括L行，其中L为

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